純模擬+數(shù)字電路頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)與制作 1~9999Hz精度1Hz

ID:290305 · 發(fā)表于 2019-7-20 17:17

分享一個前幾天做的設(shè)計(jì)，制作一個簡易頻率計(jì)，下面是我的文檔和PPT，原理圖在文檔中，請自行參考

1.1設(shè)計(jì)任務(wù)分析

設(shè)計(jì)一個能夠測量正弦波信號頻率的電路。具體要求如下：

測頻范圍為1~9999Hz，精度為1Hz。

測量數(shù)字為四位數(shù)，需使用四個七段數(shù)碼管。

用數(shù)碼管顯示測頻結(jié)果。

使用74LS48進(jìn)行譯碼顯示。

當(dāng)信號頻率超過規(guī)定的頻段時，設(shè)有超量程顯示。

如使用LED燈提示超量程。

發(fā)揮部分：擴(kuò)大頻率計(jì)的測頻范圍（超量程換檔）。

測試條件：在輸入信號峰值為100mV的情況下測試。
1.2設(shè)計(jì)方案選擇

方案一：采用的是中小規(guī)模數(shù)字集成電路

實(shí)現(xiàn)頻率的測量，雖然其功能擴(kuò)展不易實(shí)現(xiàn)，智能化程度也不高，也不太符合目前數(shù)字頻率計(jì)的發(fā)展要求，但是對目前的我們來說，電路構(gòu)成的基本原理相對容易理解，設(shè)計(jì)原理簡單，是全硬件電路實(shí)現(xiàn)，電路穩(wěn)定、精度高，大大的縮短了生產(chǎn)周期。不需要編程，實(shí)現(xiàn)起來相對簡單。其主要元器件基本是我們所學(xué)習(xí)過的，就算沒有學(xué)過，查閱資料理解起來也相對容易。

方案二：采用單片機(jī)

采用單片機(jī)則可以很容易地解決方案中的問題，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。也就是采用先測信號的周期，然后再通過單片機(jī)求周期的倒數(shù)的方法，從而得到我們所需要的低頻信號的測量精度。由于用到單片機(jī)，控制電路計(jì)數(shù)等功能通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)，減少了相關(guān)硬件的使用，降低了成本。而且利用C語言程序有很強(qiáng)的可修改性另外由于使用了功能較強(qiáng)的 AT89C51 芯片，使本系統(tǒng)可以通過對軟件改進(jìn)而擴(kuò)展功能，提高測量精度。但是單片機(jī)不能提高我的數(shù)模電知識，所以不予考慮此方案。

方案三：采用可編程器件的技術(shù)

在設(shè)計(jì)方法、硬件電路的實(shí)現(xiàn)上都要比方案一和方案二簡潔、新穎，而且采用可編程邏輯器件（PLD）的 EDA 技術(shù)也是現(xiàn)代電子產(chǎn)品開發(fā)的方向，應(yīng)用這種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)是可行的。但從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求上看，要能實(shí)現(xiàn)測量頻率是 1HZ～ 9999HZ 的范圍，以頻率1HZ 為例，使用直接測頻的方法，要達(dá)到測量精度，需要主門連續(xù)開啟 100 秒。再就是EDA技術(shù)也不再本人目前的認(rèn)知范圍內(nèi)，所以不予考慮此方案。

綜上，本設(shè)計(jì)最終考慮采用方案一。

第2章硬件電路設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體框圖

圖2.1.1 電路總體框圖

2.2 各模塊方案設(shè)計(jì)總體概述

2.2.1 放大整形電路

對被測信號進(jìn)行預(yù)處理，先由三極管組成的放大電路經(jīng)行放大再由施密特觸發(fā)器經(jīng)行轉(zhuǎn)換成脈沖信號，如下圖2所示。

圖2.2.1 放大整形電路

放大電路設(shè)計(jì)原理：雙極結(jié)型三極管BJT是一種三端器件，是放大電路的最重要的組成部分之一。BJT有兩種類型：NPN型和PNP型。從三個雜質(zhì)區(qū)域各自引出一個電極，分別為發(fā)射極e、集電極c、基極b。BJT的最重要的特性之一是具有電流控制（即電流放大）作用，利用這一特性可以組成各種放大電路。放大電路的功能是將微弱的信號不是真地放大到需要的數(shù)值。輸出信號的能量實(shí)際上是由直流電源提供的，經(jīng)過三極管的控制，使之轉(zhuǎn)換成信號能量，提供給負(fù)載。在本設(shè)計(jì)中采用BJT的共射極連接方式的放大電路。并用小信號模型來分析該放大電路，電路圖及小信號模型圖如圖3所示。

圖2.2.2 基本共射極放大電路

估算rbe：

rbe=rbb’+(1+β)26(mV)/IEQ（mA）

IEQ≈βIBQ=β（VCC-VBEQ）/Rb

電壓增益AV：

Vi=ibRb+ibrbe

Vo= -ic(Rc‖Rl)=-βibRl

Av =Vo/Vi=(-βibRl)/(ibRb+ibrbe)

施密特觸發(fā)器：

施密特觸發(fā)器在電子電路中常用來完成波形變換、幅度鑒別等工作，電路具有以下工作特點(diǎn)：

電路的觸發(fā)方式屬于電平觸發(fā)，對于緩慢變化的信號仍然適用，當(dāng)輸入電壓達(dá)到某一定值時，輸出電壓會發(fā)生跳變。由于電路內(nèi)部正反饋的作用，輸出的電壓波形的邊沿很陡直。
在輸入信號增加和減少時，施密特觸發(fā)器有不同的閾值電壓，正向閾值電壓Vt+和負(fù)向閾值電壓Vt-。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓用△Vt表示（△Vt=Vt+ - Vt-）。它是一種閾值開關(guān)電路，具有突變輸入—輸出特性的門電路。根據(jù)輸入相位、輸出相位關(guān)系的不同，施密特觸發(fā)器有同相輸出和反相輸出兩種電路形式。其電壓傳輸特性曲線分別如圖4所示。

圖2.2.3 施密特電路的傳輸特性

施密特觸發(fā)器的應(yīng)用：

波形變換，可將三角波、正弦波等變成矩形波。
脈沖波的整形，數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖在傳輸中經(jīng)常發(fā)生波形畸變，出現(xiàn)上升沿和下降沿不理想的情況，可用施密特觸發(fā)器整形后，獲得較理想的矩形脈沖，如圖5。
脈沖鑒幅，幅度不同、不規(guī)則的脈沖信號時加到施密特觸發(fā)器的輸入端時，能

選擇幅度大于欲設(shè)值的脈沖信號進(jìn)行輸出。

圖2.2.4 用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)波形變換圖

2.2.2 時基電路

方案一：由晶體振蕩器構(gòu)成時鐘信號。優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的信號非常穩(wěn)定，但價(jià)格高。

方案二：由定時器555構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生1KHz的時鐘信號。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但有一定的誤差存在。

最后選用方案二，由于方案一在Multisim13.0中沒有合適的晶體振蕩器，大多頻率過高，不好分頻，直接采用方案二，可以節(jié)省一定的電路，同時為了解決由555定時電路帶來的帶載不足的問題，即后接負(fù)載有限的問題，在時鐘輸出時進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆?/div>

555定時器是一種將模擬電路和數(shù)字電路集成于一體的電子器件。用它可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等多種電路。555定時器在工業(yè)控制、定時、檢測、報(bào)警等方面有廣泛應(yīng)用。

555定時器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖6所示：

圖2.2.5 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

多諧振蕩器是一種無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，接通電源后，不需外加觸發(fā)信號，就能產(chǎn)生矩形波輸出。由于矩形波中含有豐富的諧波，故稱為多諧振蕩器。多諧振蕩器是一種常用的脈沖波形發(fā)生器,觸發(fā)器和時序電路中的時鐘脈沖一般是由多諧振蕩器產(chǎn)生的。

由555定時器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波圖如圖7所示：

圖2.2.6 方波圖

時基電路總體原理圖如圖8所示：

圖2.2.7 時基電路

對555定時電路組成的多諧振蕩器分析：

接通電源以后電容C被充電，當(dāng)VTRI上升到2VS/3時，使VOUT為低電平，同時放電三極管導(dǎo)通，此時電容C通過R2和T放電，VTRI下降。當(dāng)VTRI下降到VS/3時，VOUT翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C放電的時間為

T1=R2Cln2≈0.7R2C

當(dāng)放電結(jié)束時，三極管截止，VS將通過R1、R2向電容C充電，VTRI由VS/3上升到2VS/3所需的時間為

T2=（R1+R2）Cln2≈0.7(R2+R1)C

當(dāng)VTRI上升到2VS/3時，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出就得到了一個周期性的矩形波。其振蕩的頻率為

f=1/(T1+T2) ≈1.43/(2R2+R1)C

分析原理圖如下，從圖中可以看出理論的輸出波形時按一定的周期循環(huán)出現(xiàn)的，從而形成一定頻率的矩形波如圖9所示。

圖2.2.8 555定時器分析

2.2.3 控制電路

此模塊使用CD4017和74LS160組成，其中CD4017是內(nèi)部為除10的計(jì)數(shù)器及二進(jìn)制對10的譯碼電路，而74LS160 是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，也就是說它只能記十個數(shù)，從0000-1001（0-9）到9 之后再來時鐘就回到0首先時鐘CLK，之后是輸出RCO ，CLR是復(fù)位引腳，此為低電頻有效LOAD是置數(shù)信號，當(dāng)它為低電平時，在時鐘作用下讀入D0到D3，為了使160正常工作ENP和ENT接1，另外D0到D3是置數(shù)端，Q0到Q3是輸出端。

其中74LS160輸出管腳Q0到Q3波形圖如圖10所示。

圖2.2.9 Q0~Q3輸出波形

控制模塊整體電路原理圖如圖11所示。

圖2.2.10 控制電路原理圖

2.2.4 計(jì)數(shù)顯示電路

采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（74LS160）連接成為4位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)范圍為0至9999，將計(jì)數(shù)形成的BCD碼（頻率值的大�。┻M(jìn)行譯碼，在譯碼前經(jīng)行鎖存，鎖存后清零，給下一次測量做準(zhǔn)備，并在數(shù)碼管中顯示出來。如圖12是顯示電路原理的一部分，負(fù)責(zé)顯示，由譯碼器譯碼，而譯碼器接鎖存器，鎖存器接計(jì)數(shù)電路，得到計(jì)數(shù)輸出。

圖2.2.11 計(jì)數(shù)顯示電路

第3章原理圖繪制3.1原理圖仿真總體圖

圖3.1.1原理仿真圖

第4章硬件實(shí)物焊接調(diào)試4.1硬件實(shí)物焊接

圖4.1.1 電路板反面

圖4.1.2 電路板側(cè)面

圖4.1.3 電路板正面

4.2硬件實(shí)物調(diào)試

使用的主要的儀器有：數(shù)字電源，示波器，函數(shù)發(fā)生器，臺式萬用表。

在電路的調(diào)試過程中，主要出現(xiàn)的問題有：

芯片易被燒毀；

解決辦法：對于含有芯片的電路，或者出問題的部分有芯片參與，首先分析芯片在電路中的作用，觀察芯片不工作時，電路會有什么故障，出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象，并與之前發(fā)現(xiàn)的問題相對比。

檢查的步驟如下：先檢查供電是否正常，其次檢查輸入的波形信號是否正常，最后檢查有沒有輸出信號及輸出信號與理想輸出信號的差距。如果正常，就可以開始檢查后續(xù)電路，看是否有問題，一般是電容易被損壞。

電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，解決問題困難。

此時需要對電路進(jìn)行分模塊測試，觀察每個模塊是否都能輸出正確波形，然后把每個模塊進(jìn)行合并進(jìn)行最終調(diào)試。

555定時電路組成的多諧振蕩器測試過程：

圖4.2.1 555振蕩器調(diào)試

圖4.2.2 555定時器產(chǎn)生的波形

總結(jié)

本次電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)的核心是利用已學(xué)過的數(shù)模電及電路分析基礎(chǔ)知識，實(shí)現(xiàn)一些工程目的。在這個過程中，可以鍛煉自己的實(shí)際動手能力，對于一些電路規(guī)律、芯片的使用方法及運(yùn)算放大器的應(yīng)用有了進(jìn)一步的理解。更為重要的一點(diǎn)是，作為本科生，沒有任何的工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過這次課設(shè)，我們可以更好的了解到要解決實(shí)際工程需要問題考慮哪些問題，需要注意哪些地方，需要對自己設(shè)計(jì)的電路了如執(zhí)掌。作為自動化專業(yè)的學(xué)生，分析問題、解決問題及動手的能力尤為重要，在課程設(shè)計(jì)的過程中，這些能力可以得到更好的培養(yǎng)。

本次課題主要設(shè)計(jì)了一款簡易頻率計(jì)，測試了頻率計(jì)的測量精度以及工作性能，技術(shù)指標(biāo)達(dá)到的要求有測頻范圍達(dá)1~9999HZ，誤差為1HZ,并使用數(shù)碼管顯示測頻結(jié)果，當(dāng)信號頻率超過規(guī)定的量程時，實(shí)現(xiàn)了超量程提示，比如實(shí)現(xiàn)了發(fā)光二極管的點(diǎn)亮。

主要完成工作：

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括降壓電路、放大整形電路、時基電路、控制電路、計(jì)數(shù)顯示電路組成的頻率測量電路。合理選擇二極管、BJT、電容電阻以及各種芯片設(shè)計(jì)頻率測量電路。

（2）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)由查閱相關(guān)電源類文獻(xiàn)，在multisim13畫出電路圖，進(jìn)行仿真驗(yàn)證及調(diào)試，然后用洞洞板和各種元器件進(jìn)行焊接調(diào)試。

本次設(shè)計(jì)尚有幾處地方需要完善：

電路設(shè)計(jì)復(fù)雜導(dǎo)致查詢問題困難。
頻率測量精度有待提高。

針對此次課設(shè)，我有如下建議：

（1）可以適當(dāng)擴(kuò)寬課設(shè)選題范圍，對于自動化這種偏向硬件設(shè)計(jì)的專業(yè)，可以在原有基礎(chǔ)上開設(shè)一些綜合能力需求更高的題目，可以參考電子設(shè)計(jì)大賽的選題，降低難度，作為課設(shè)的題目。

（2）可以適當(dāng)提供更多的器件選擇，讓同學(xué)們可以更多的選擇設(shè)計(jì)方案，而不用因?yàn)槠骷x擇的原因限制了同學(xué)們的想法。

（3）可以加大課程設(shè)計(jì)的硬件焊接的驗(yàn)收力度，對于一些已經(jīng)驗(yàn)收的成品可以收上去，減少作弊的概率。這樣一方面可以進(jìn)一步提高課程設(shè)計(jì)的質(zhì)量，也可以真正讓同學(xué)們學(xué)到更多的東西。

收獲與體會：

在本次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，我制作了一個簡易頻率計(jì)，雖然結(jié)果并不像仿真那樣完美，但也大致實(shí)現(xiàn)了目的。在課程設(shè)計(jì)的整個過程中，從選題到參數(shù)計(jì)算，到修正電路焊接的問題，都是我一人完成。在此過程中，我收獲了不少知識。從555定時器輸出方波到放大整形電路輸出方波，到計(jì)數(shù)控制電路，再到譯碼顯示電路，我認(rèn)識到了自己的數(shù)模電及電路的基礎(chǔ)知識仍然有待提高。

在此次課設(shè)中，我還學(xué)會了書本上或者老師沒有教過的東西，在拿到了種類繁多的芯片后，我開始毫無思緒，不知道該從那一步著手。經(jīng)過對題目要求及仿真原理圖分析后，決定先把芯片的數(shù)據(jù)手冊仔細(xì)翻閱一遍，了解每個芯片的功能及引腳圖，在完場此項(xiàng)工作后，將芯片引腳圖及周邊元器件在紙上畫下來，再按照該圖紙進(jìn)行焊接。這樣可以減少很多麻煩，比如，走線走著走著就不知道怎么走了，元器件沒地方放了等等。雖然這樣可以減少焊接出現(xiàn)的問題，但還是存在一些我無法解釋的玄學(xué)問題，對于這些問題，我積極在相關(guān)的電子技術(shù)論壇上找答案或思路，網(wǎng)站論壇包括：電子發(fā)燒友、電源網(wǎng)、51黑電子論壇、datasheet官網(wǎng)等。在這些前輩們的交流中，我吸取了不少硬件設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，不僅僅使本次課設(shè)，對于以后做競賽及硬件學(xué)習(xí)也有著很大的幫助。

當(dāng)然也非常感謝我的指導(dǎo)老師胥老師，他一絲不茍，嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的工作態(tài)度深深的影響著我，在我的課程設(shè)計(jì)中，每個環(huán)節(jié)都離不開老師的悉心指導(dǎo)，給予了我巨大的幫助。

附錄2：系統(tǒng)主要圖紙